چیلرها و مصرف انرژی

چیلرها به عنوان یک جز مهم در تهویه مطبوع در انواع وسیعی برای مصارفی هم چون امکانات تجاری از جمله هتل‌ها، رستوران‌ها، بیمارستان‌ها، سالن‌های ورزشی، کارخانجات صنعتی و تولیدی و … تبدیل شده‌اند. این صنعت عمده‌ترین مصرف کننده انرژی در سیستم‌های تهویه مطبوع مرکزی است. در ساختمان‌های تجاری، که سیستم‌های تهویه مطبوع تقریباً نیمی از کل برق مصرفی را تشکیل می‌دهند. برای مثال در شکل زیر جایگاه یک پمپ برج خنک کننده (پمپ آب گرم یا ولرم) مربوط به یک چیلر تراکمی نوع آب خنک را مشاهده می کنید.

طبق اعلام وزارت انرژی ایالت متحده (DOE)، پکینگ برج خنک کننده می‌توانند با هم ترکیب شوند و تقریباً 20 درصد از کل برق تولید شده در آمریکای شمالی را استفاده کنند. علاوه بر آن (DOE) تخمین می‌زند که چیلرها به دلیل ضعف‌هایی در بخش عملیاتی، می‌توانند تا 30 درصد مصرف انرژی اضافی داشته باشند. با انجام بعضی از کارها، می‌توان این مصرف انرژی را کاهش داد.

بنابراین در هنگام استفاده از آن‌ها باید میزان کارایی و بازده چیلرها مورد توجه قرار گیرد. میزان کارایی چیلر به عوامل مهمی از جمله شرایط محیطی، طراحی نصب و … بستگی دارد، اما می‌توان کارایی چیلر را با چند پارامتر مهم محاسبه و تخمین زد و در صورت لزوم سیستم را بهینه نمود.

کارایی چیلر معمولاً بر اساس ضریب عملکرد COP آن اندازه گیری می‌شود که به صورت زیر بیان می‌شود:

COP/گرمای جذب شده توسط اواپراتور=[(گرمای رانده شده توسط کندانسور)-(گرمای جذب شده توسط اواپراتور)]

بازده چیلر به نوع کمپرسور در چیلر و استفاده از خنک کننده هوا یا آب نیز بستگی دارد، ضریب عملکرد می‌تواند در چیلرهای کوچک در حدود 5.2 و در چیلرهای بزرگ، آب سرد و گریز از مرکز تا 7 باشد. چیلرهای جذبی ضریب عملکردی 2.1 تا 4.0 دارند.

نسبت راندمان انرژی EER

اما فاکتور مهم دیگر در بیان بازده و کارایی چیلر ها با مفهومی با عنوان EER بیان می‌شود:

(EER=COP×3.412 (Btu/W.hr

هر چقدر نسبت راندمان انرژی بیشتر باشد، نشان دهنده مصرف کمتر انرژی و کاهش هزینه در آن است.

IPLV یا NPLV

میزان کارایی یک چیلر به میزان بسیار بالایی بر روی سیستم کلی تهویه مطبوع تاثیر گذار است. یک معیار مفیدتر بر چیلر، بررسی IPLV (مقدار بار یک پارچه قطعه) یا NPLV ( مقدار بار غیر استاندارد) آن است. مقدار بار یک پارچه قطعه (IPLV) یک ویژگی عملکردی است که توسط موسسه تهویه مطبوع، گرمایش و برودت () تعریف شده است. معمولاً برای توصیف عملکرد چیلر با قابلیت تلفیق ظرفیت استفاده می‌شود.

از این رابطه کاملاً واضح است که هر در طول زمان کارکرد خود، در حدود 1 درصد در بار کامل کار می‌کند و انتخاب یک چیلر تنها براساس COP و EER امری اشتباه است. اما به طور کلی می‌توان گفت که تقریباً هیچ چیلری در طول عمر کارکرد خود در حالت 100 درصد بار نخواهد بود؛ بلکه بیش از 75 درصد از زمان کارکرد چیلر در 50 درصد بار و کمتر از آن است.

یکی دیگر از روش‌های کاهش مصرف این چیلرها استفاده از هوای خنک محیط باز است. بیشتر چیلرها، حتی قدیمی‌ترها، می‌توانند از کاهش دمای آب کندانسور در هوای خنک تر بهره مند شوند. ابعاد چیلر ممکن است بر اساس آب 85 درجه فارنهایت از برج های خنک کننده باشد که برای ساعات بسیار کمی از آب و هوا در سال لازم است. برای بقیه سال، به راحتی و با کارآیی می‌تواند آب خنک‌تری را تأمین کند. چیلرها می‌توانند از آب سردتر بدون خطر برای صرفه جویی در مصرف انرژی استفاده کنند.

همانطور که در جداول زیر مشاهده می‌شود، با 50 درصد بارگیری، راندمان چیلر 57/0 کیلووات بر تن در 85 فارنهایت با ورود به دمای آب کندانسور است. وقتی دمای آب کندانسور ورودی به 60 فارنهایت کاهش می یابد، بازده به 0.25 کیلووات بر تن می رسد و 56 درصد افزایش بهره وری را به دنبال دارد. در حالت کلی، چیلرهای گریز از مرکز با درایو های با سرعت متغیر به طور معمول می‌توانند از هر 5 درجه کاهش دما از آب کندانسور ، 10 تا 13 درصد افزایش بهره وری را مشاهده کنند.

چیلرهای با سرعت ثابت نیز در این شرایط بهروری دارند، اما فقط 5 درصد برای هر 5 درجه تسکین دهنده آب خنک بهره می برند. اگرچه انرژی فن خنک کننده برج با یک استراتژی تسکین دمای آب سرد افزایش می یابد، صرفه جویی در انرژی چیلر به طور معمول بیش از افزایش انرژی فن است.

میزان آن به آب و هوا، مشخصات بار و اندازه تجهیزات بستگی دارد، بنابراین برای تعیین استراتژی کنترل مناسب باید تجزیه و تحلیل انجام شود. بر هم کنش سه عامل بالا تأثیر قابل توجهی در کارایی چیلر دارد: دمای آب ورودی کندانسور، بارگیری چیلر و اینکه سرعت چیلر ثابت است یا متغیر. جداول زیر بازده های معمول چیلر را در کیلووات بر تن برای ترکیبات مختلف این سه فاکتور ذکر کرده اند.

با توجه به اهميت هر چه بيشتر انرژی و مخصوصا انرژی های سوخت های فسيلی كه تمام شدنی هستند و در بسياری از كشورهای دنيا نيز يافت نمی شوند و پيرو طرح هدفمند سازی یارانه ها، ارزش انرژی بيش از پيش خود را نمايان ساخته است.

انرژی مورد نياز برای راه اندازی يک سيستم چيلر تراكمی برق و آب می باشد و در سيستم چيلر جذبی گاز و برق و آب است. لذا در اين تحقيق مقايسه ای جامع بین چیلرهای تراکمی و جذبی از نظر ميزان مصرف انرژی اين دو چيلر به همراه مقايسه قيمت اوليه، هزينه تعميرات و نگهداری خواهیم داشت و همچنين آلايندگی محيط زيست را نیز بررسی می کنیم.

چنانچه با انواع چیلرها آشنایی کافی ندارید، پیشنهاد می کنیم که قبل از اینکه خواندن این مقاله را شروع کنید، ابتدا این مقاله ⇐ را مطالعه بفرمایید. همچنین در صورتی که با ساختار و طرز کار چیلرهای جذبی آشنا نیستید می توانید این مقاله ⇐ را مطالعه کنید.

برای آشنایی بیشتر با اجزا و ویژگی های چیلرهای تراکمی هم که به دو بخش عمده چیلرهای تراکمی آب خنک (آبی) و هوا خنک (هوایی) تقسیم بندی می شوند کافی است که این دو مقاله ⇐ و را مطالعه کنید.

محاسبه مصارف انرژی :

حال به محاسبه ميزان مصارف مختلف انرژی های گاز، برق و آب در چهار نوع چيلر تراكمی ، چيلر جذبی تک اثره ، چيلر جذبی دو اثره و چيلر جذبی شعله مستقيم می پردازيم.

۱ . میزان مصرف برق چیلرهای تراکمی و جذبی :

محاسبه مصرف برق كمپرسورهای چیلر تراکمی

با فرض COP = 4.5 برای یک چيلر تراكمی آب خنک با ظرفیت خنک کاری ۱۵۰ تن تبرید (یا ۵۲۷٫۵ کیلووات Kw)، توان الکتریکی ورودی (Power Input) به آن در حالت ماکزیمم برابر است با :

Power Input = 527.5 / 4.5 =117.2 Kw

محاسبه مصرف برق پمپ های برج خنک کننده

چون ميزان دبی جریان بر حسب گالن بر دقیقه یا همان GPM و اختلاف درجه حرارت برج های چيلرهای جذبی از چيلرهای تراكمی بيشتر است لذا برای گردش آب برج به پمپ های با مصرف برق بالاتری نياز است.

خروجی دمای آب در هر چهار نوع چيلر ۸۵ درجه فارنهایت و اختلاف درجه حرارت ورودی و خروجی آب برای چیلرهای تراكمی ۱۰ درجه، برای جذبی تک اثره ۱۵ درجه و برای جذبی دو اثره و شعله مستقيم ۱۸ درجه فارنهايت است.

با توجه به شرايط ذكر شده و با استفاده از كاتالوگ های شركت پمپ ايران، برای چيلر تراكمی دو عدد پمپ مدل ۶۵-۳۱۵ و برای چيلرهای جذبی دو عدد پمپ ۸۰-۳۱۵ كه مقادير مصرف برق الكتروموتورهای آنها در جداول زير (جداول ۱ تا ۴) برای مدار گردش آب برج و كندانسور آورده شده است.

محاسبه مصرف برق فن های برج خنک کننده

با توجه به اعداد ذكر شده در بالا برای چيلر تراكمی يک عدد برج خنک کننده ۲۲۰ تن تبرید، برای چيلر جذبی تک اثره يک عدد برج ۳۴۰ تن تبرید، برای چيلر جذبی دو اثره يک عدد برج ۴۵۰ تن تبرید و برای چيلر جذبی شعله مستقيم يک عدد برج ۵۰۰ تن تبرید بايد در نظر گرفته شود كه ميزان برق مصرفی آنها در جداول ۱ الی ۴ آورده شده است.

فن یا پروانه ها در برج های خنک کننده با توجه به نوع کاربرد در شکل های مختلفی طراحی و ساخته می شوند. عوامل و فاکتورهایی در تعیین قیمت فن برج های خنک کننده موثر است. قیمت پروانه برج خنک کننده با توجه به نوع کارکرد، جنس بدنه، نوع متریال، قطعات و تجهیزات به کاررفته و ابعاد آن متفاوت است